一种投加降解类细菌的单室微生物燃料电池及其使用方法技术

本发明专利技术涉及微生物燃料电池技术领域，公开一种投加降解类细菌的单室微生物燃料电池，包括电极材料，所述电极材料采用碳棒材质，所述电极材料上开凹槽，将铜导线沿凹槽缠绕固定；所述电极材料置于反应器内，阴极悬挂于水层中，阳极埋于沉积物中；所述阴极和阳极通过导线串联起100千欧电阻，并通过单片机每隔10min测量电阻两端实时电压。还公开了其使用方法，电极制作，微生物燃料电池反应器构。微生物燃料电池反应器的产电过程发生在下层,生长到阳极电极上的产电微生物将阳极的有机物氧化成质子、电子和二氧化碳,电子经过外电路转移到阴极同时,在阴极上的氧气被还原,并与质子结合生成水,产生电流。

A Single Chamber Microbial Fuel Cell with Degrading Bacteria and Its Application Method

The invention relates to the technical field of microbial fuel cell, which discloses a single-chamber microbial fuel cell with degradable bacteria, including an electrode material, the electrode material is made of carbon rod, the electrode material is grooved, the copper wire is wound and fixed along the groove, the electrode material is placed in a reactor, the cathode is suspended in the water layer, and the anode is buried in the sediment. The anode and the anode are connected in series with a resistance of 100 kiloohms through a wire, and the real-time voltage at both ends of the resistance is measured by a single chip computer every 10 minutes. The use method, electrode fabrication and microbial fuel cell reactor structure are also disclosed. The generation process of microbial fuel cell reactor occurs in the lower layer. The microorganisms growing on the anode electrode oxidize the organic matter of the anode into protons, electrons and carbon dioxide. The electrons are transferred to the cathode through an external circuit. At the same time, oxygen on the cathode is reduced, and water is formed by combining with protons to generate current.

【技术实现步骤摘要】
一种投加降解类细菌的单室微生物燃料电池及其使用方法
本专利技术涉及微生物燃料电池
，尤其涉及一种投加降解类细菌的单室微生物燃料电池及其使用方法。
技术介绍
底泥是湖泊生态系统的重要组成部分，也是水土界面物质的积极交换带。近年来，随着社会经济发展、人类大范围活动的影响，大量污染物进入湖泊，并沉积在底泥中，由此造成湖泊底泥的严重污染，也自然成为水污染的主要污染源之一。污泥量增加使河床抬升，一方面对航运带来不便，另一方面也为汛期的防洪工作带来隐患。对湖底、河底的定期清淤，传统的处理方法包括曝气、环保疏浚、原位覆盖等技术，但是花费成本大、能源消耗大，又可能造成二次污染。因此，湖泊底泥的无害化、资源化处置成为污染湖泊生态修复的重要内容，对于创建环境友好型社会具有重要意义。微生物燃料电池是一种能够将化学能转化为电能的技术，利用微生物作为催化剂，分解生物质同时输出电能。微生物燃料电池作为未来环节能源和环境问题的有效途径，受到研究人员的广泛关注。据估计，使用微生物燃料电池处理淤泥的成本是传统方法的5％左右，能够节省大量资金以及能源。目前，大多数微生物燃料电池都是两室的，需要质子交换膜分隔两极，并大多利用土著微生物进行污染物降解，处理能力有限，产电效率较低不足以收集利用。因此有必要专利技术一种能够强化底泥降解的单室微生物燃料电池。沼泽红假单胞菌属于一种光和细菌，是地球上最古老的微生物之一，适应性强，能耐受高浓度的有机废水，具有较强的分解转化能力，目前被广泛应用于水质净化、污水处理、饲料及微生物添加剂等。
技术实现思路
本专利技术针对污染湖泊底泥，提出了一种引入外源微生物构建单室微生物燃料电池及其使用方法，该方法能够促进底泥中有机物的降解，模拟装置经济简单，同时获得恒定的电流。本专利技术的技术方案是：一种投加降解类细菌的单室微生物燃料电池，包括电极材料，所述电极材料采用直径10mm，长50mm，内阻为0的碳棒材质，所述电极材料上在一端10mm左右处开深度为3mm“T”型的凹槽，将铜导线沿凹槽缠绕固定；所述电极材料置于反应器内，所述反应器直径10cm，高20cm，其下层为沉积物，其上层为水层，阴极悬挂于水层中，阳极埋于沉积物中；所述阴极和阳极通过导线串联起100千欧电阻，并通过单片机每隔10min测量电阻两端实时电压；所述反应器中投加沼泽红假单胞菌菌液。本专利技术的第二个技术方案:一种投加降解类细菌的单室微生物燃料电池的使用方法，包括如下步骤：1)电极制作：使用直径10mm，长50mm，内阻为0的碳棒作为电极材料，并在距电极一端10mm左右处开深度为3mm“T”型的凹槽，将铜导线沿凹槽缠绕固定；2)微生物燃料电池反应器构建：以直径10cm，高20cm的容器作为反应器，下层为沉积物，上层为水层，阴极悬挂于水层中，阳极埋于沉积物中；3)外电路设计：将100千欧的电阻串联在阴阳极导线两端，并通过单片机每隔10min测量电阻两端实时电压；4)每10min自动收录一次电压数据；5)微生物燃料电池反应器组装完成后，静置3天，待其反应体系稳定；6)微生物投加：向上述微生物燃料电池反应器中投加浓度为1×103，1×104，1×105个/ml的沼泽红假单胞菌菌液，使该体系连续反应31天；7)反应结束后，对反应器中污泥的有机质含量进行测定，并整理分析各反应器中电压变化情况，通过土壤微生物分离纯化试验，分析该体系反应结束时的优势菌种。本专利技术的作用机理是：微生物燃料电池反应器的产电过程发生在下层,生长到阳极电极上的产电微生物将阳极的有机物氧化成质子、电子和二氧化碳,电子经过外电路转移到阴极同时,在阴极上的氧气被还原,并与质子结合生成水,产生电流。本专利技术具有如下优点：1、本专利技术的MFC模型是针对湖泊底泥中的污染物降解以及微生物燃料电池的产电性能提出的，目前相关方案的研究多针对通过质子交换膜分隔的双室MFC，单室的模型研究较少，本专利技术证明了单室微生物燃料电池的可行性，减小电池体积，使操作简化，因此本专利技术具有实际应用意义和价值。2、本专利技术的装置设计，参考了已有的单室微生物燃料电池设计方式，经过对比试验分析，结合MFC模型构建成本等角度综合分析而建立。3、本专利技术通过外源投加微生物加速湖泊底泥降解，促进MFC产电，并确定了降解类微生物的投加量，制定了完整的操作体系。附图说明图1是投加降解类细菌的单室微生物燃料电池的电极设计图；图2是微生物燃料电池反应器结构示意图；图3是反应周期内各反应器电压变化记录图。附图标记：1-碳棒，2-凹槽，3-铜导线，4-阴极，5-阳极，6-反应器，7-电阻，8-单片机，9-计算机，10-沼泽红假单胞菌。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术作进一步的说明。本专利技术的实施例是为了使本领域的技术人员更好地理解本专利技术，并不对本专利技术作任何的限制。本专利技术的研究对象为武汉市某湖泊的表层沉积物，有机质含量约为6.75％。将采集来的污泥自然沉降后剔除水层，然后过筛去除植物枝叶及大块碎石，得到质地均一的污泥材料。如图2所示本专利技术采用一种投加降解类细菌的单室微生物燃料电池，包括电极材料，如图所示所述电极材料采用直径10mm，长50mm，内阻为0的碳棒1，所述电极材料上在距电极一端10mm左右处开深度为3mm“T”型的凹槽2，将铜导线3沿凹槽2缠绕固定；所述电极材料置于反应器6内，所述反应器6直径10cm，高20cm，其下层为沉积物，其上层为水层，阴极4悬挂于水层中，阳极5埋于沉积物中；所述阴极4和阳极5通过导线串联起100千欧电阻7，并通过单片机8每隔10min测量电阻两端实时电压；所述反应器6中投加沼泽红假单胞菌菌液10。本专利技术使用方法的具体实施例如下：取等量的污泥分别于直径10cm，高20cm的反应器中，并加入相同体积的自来水，模拟天然湖泊的水层和下部沉积物层。将一个电极插入下层污泥中，另一电极悬挂于上层水中。在外电路连接阻值为100千欧的电阻，并通过导线连接单片机，将实时电压数据储存入计算机中，每10min自动收录一次电压数据。微生物燃料电池反应器组装完成后，静置3天，待其反应体系稳定。分别向反应器内投加浓度为1×103，1×104，1×105个/ml的沼泽红假单胞菌，使该体系连续反应31天。反应结束后，对反应器中污泥的有机质含量进行测定，并整理分析各反应器中电压变化情况，通过土壤微生物分离纯化试验，分析该体系反应结束时的优势菌种。实验结果见表1和图3。表1微生物燃料电池反应器中有机质含量测定结果相比于只接电极和自然沉降组，通过采用该专利技术中的投加降解类微生物的单室微生物燃料电池，沉积物中的有机质含量有所下降，且当微生物浓度为1×104个/mL时处理效果最好。可以看出，只接入电极的实验组在反应周期内电压值维持较高水平，但最高电压值出现在浓度为1×105个/mL的投菌组，并持续出现电压峰值，说明通过引入外源微生物增加单室微生物燃料电池的产电性能是可行的，未来仍需进一步筛选合适的菌种，并合理控制反应时间。微生物燃料电池反应器的试验结果表明，该专利技术能够显著降低反应体系内的有机质含量，并提高电压的峰值，为引入外源微生物的单室MFC的建立提供依据。且该反应器所用材料廉价易得，组装简便。应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种投加降解类细菌的单室微生物燃料电池，包括电极材料，其特征在于，所述电极材料采用直径10mm，长50mm，内阻为0的碳棒材质，所述电极材料上在一端10mm左右处开深度为3mm“T”型的凹槽，将铜导线沿凹槽缠绕固定；所述电极材料置于反应器内，所述反应器直径10cm，高20cm，其下层为沉积物，其上层为水层，阴极悬挂于水层中，阳极埋于沉积物中；所述阴极和阳极通过导线串联起100千欧电阻，并通过单片机每隔10min测量电阻两端实时电压；所述反应器中投加沼泽红假单胞菌菌液。

【技术特征摘要】
1.一种投加降解类细菌的单室微生物燃料电池，包括电极材料，其特征在于，所述电极材料采用直径10mm，长50mm，内阻为0的碳棒材质，所述电极材料上在一端10mm左右处开深度为3mm“T”型的凹槽，将铜导线沿凹槽缠绕固定；所述电极材料置于反应器内，所述反应器直径10cm，高20cm，其下层为沉积物，其上层为水层，阴极悬挂于水层中，阳极埋于沉积物中；所述阴极和阳极通过导线串联起100千欧电阻，并通过单片机每隔10min测量电阻两端实时电压；所述反应器中投加沼泽红假单胞菌菌液。2.一种投加降解类细菌的单室微生物燃料电池的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：1)电极制作：使用直径10mm，长50mm，内阻为0的碳棒作为电极材料，并在距电极一端10mm左右处开深度为3mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵林，刘琦，戴天骄，冯琛雅，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12